工程实际对象的研究教育，造成力学课程难度高、实用性低、学生学习态度主动性不强的局面。对于以应用教育为主的应用型大学来说，培育学生的实践能力是人才培育的重点，将虚拟仿真技术融入到力学类基础课程中具有很强的现实意义。文章以应用力学专业为例，分析了传统力学基础课程教学存在的问题，介绍了虚拟仿真应用于教学的一些具体措施及成果。
关键词 虚拟仿真 应用教育 力学基础课程 教改
中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.04.028
1 背景分析与现状
1.1 背景分析
为贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010- 2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》，教育部设立了“卓越工程师教育培养计划”重大改革项目，是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措。对于卓越工程师教育培训计划高校来说，旨在培养造就出一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程应用型技术人才。①
1.2 力学发展下的时代背景
从力学发展来看，主要分为三个主要阶段。（1）理论研究阶段，19世纪到20世纪的前半期，这一时期的力学主要研究连续体力学，是从宏观角度对其分析，并通过实验分析与理论分析，研究物体的各种性质。（2）瓶颈阶段，到20世纪初，由于数学工具的缺乏，求解一些运动偏微分方程的精确解十分困难，因此力学发展进入瓶颈期。（3）高速发展阶段，20世纪末至今，随着计算机技术的发展，数值仿真技术应运而生，该技术建立在经典力学和数值仿真方法基础上，通过计算机数值计算和图像显示的方法，在时间和空间上定量的描述固体场的数值解，随着ANSYS、ABAQUS等一系列基于数值仿真技术的商用软件的出现，大大提高了工程力学的求解范围和精度，使虚拟仿真技术在车辆、桥梁、船舶、大型机械、资源开采等行业中占有举足轻重的地位。
综上，从宏观发展的角度来看，国家政策积极引导高校走工程化应用教育的道路；②从力学发展的角度来看，时代背景对现代学生提出了新的要求，一个学生是否熟练掌握数值仿真技术（建模，计算，分析），决定了该学生的就业前景。
2 传统力学基础课程教育的问题
对于当前各专业的力学类基础课程（主要包括工程力学、理论力学、材料力学）教育，国内大部分普通高校还在一遍遍地重复着理论公式的推导，演练着与工程实际相差极大的例题，无论是应用性、时效性、创新性都远远落后于最新的教学育人计划。
2.1 应用性低
针对传统的力学教育的教学大纲仍放在各种假设下的各类杆、梁构件的理论推导和求解上，而对工作就业有用的虚拟仿真技术几乎未做介绍。由于缺乏面对工程实际对象的研究教育，造成了力学课程难度高、实用性低，学生学习主动性不强。即使对于完成考核后的学生，学生没有获得力学的最新知识，仍不知道如何对具体的工程实际力学问题进行模拟和分析。因此，在一些实际的工程项目中，缺乏对问题的跟进能力，也就造成了力学类基础课程的应用性低的问题。
2.2 时效性差
从力学的发展阶段来看，现在的力学教育仍处在初级的理论学习阶段，距离当今应用性很强的虚拟仿真技术差距较大。对于培养应用型人才为主的应用型大学来说，传统的力学教育远远跟不上时代的发展。根据传统力学教育培育出的大学生进入工作单位后，不能很好地将所学知识与实际应用相对接，影响了企业的工作效率，降低了企业对大学生的期待，进而影响了社会的发展。③
2.3 创新性不足
结合虚拟仿真技术，能够很好地解决工程实践问题，而传统的力学教育缺少对实际工程对象的研究教育。由于传统的力学教育缺乏激发学生创新力的工程实例，减少了他们在应用上的创新性。创新性不足，给社会带来的是科技进步缓慢，进而影响了生产力的发展。
针对以上传统的力学类基础课程教育问题不能适应时代的发展和社会的需求，将虚拟仿真技术融入到应用型大学的力学类基础课程中具有重要的现实意义。④
3 虚拟仿真技术融入力学基础课程的实践
针对传统的力学基础课程教育的应用性低、时效性差、创新性不足的问题，如何将虚拟仿真技术有效的融入到力学基础课程中，就需要合理地制定教育改革方案，并将其应用在实际的课堂中。
将虚拟仿真技术融入到力学基础课程中，本研究制定教学改革方案如图1所示。
从教学改革方案图中可以看出，将代表性例题转化为工程实际问题，通过虚拟仿真的数值解与理论计算的公式解相互验证，有效提高了学生遇到问题时解决问题的能力。从文献的查找，实际问题的转化，虚拟仿真的验证，都需要同学们的参与，提升了学生的活跃参与度，进一步提高了课堂的学习效率。因此，将虚拟仿真技术融入到力学类基础课程中具有可行性。
除教学改革具有可行性之外，还具有以下主要特点：
（1）针对性强，教学改革方案针对力学类的基础课程，选取结合专业背景的工程实际问题作为例题，旨在降低力学类基础课程的教学难度，提高学生学习兴趣以及该课程的工程应用性。
（2）实用性高，在力学基础课程教育中添加数值仿真技术，学生通过课程教学掌握了仿真工具。由于能够解决实际问题，学生可以把自己对专业方面思考的问题用虚拟仿真软件解决，因此提升了学生的创新能力。学生熟悉了一门就业技能，提高了就业几率。
（3）主次明确，在强调应用性的同时，也不能完全放弃对学生公式推导能力的教学，采取理论联系工程实际相结合的方式，在提高学生学习主动性的同时，提高学生对理论的认知。
（4）可推广性强，可将这种教学改革思路推广至其他专业基础教育课程中。
4 阶段性成果
以重庆科技学院数理学院理论与应用力学专业为例。自2009年开设此专业以来，逐年增加了虚拟仿真技术在人才培养总学分中的比例，如MATLAB与工程数值方法、力学建模CAD训练、工程分析软件及其应用、计算流体力学仿真课程设计等一系列课程的开设，使实践教学资源占据总学分的21.1%。
通过改善课程结构，提升学生学习积极性，增强了所培养学生的实践能力，本专业学生在历届全国大学生周培源力学竞赛中斩获诸多奖项，由最初2009年的4位全国奖到2015年的9位全国奖，获奖比例从13.3%增加至26%。
学生实践能力的提升，得到了就业单位和考研目标院校的认可，近三年，本专业毕业生的就业率高达92%以上，考研率高达40%以上。
将力学基础课程教学改革付诸实践，走教学与科研相结合、理论与应用相结合的道路，进一步证明了力学基础课程教学改革在实践上的可行性和有效性。
5 进一步思考
虚拟仿真应用到力学类基础课程尽管取得了不少的进步，但由于经验积累不足，仍有较大的提升空间，需进一步加强和完善，重点表现在以下几个方面。
（1）虚拟仿真结合实物实验，进行专题教学。在未来继续推动的过程中，可进一步采用与实物实验相结合的方式，实行专题教学，将理论计算上的东西真实地体现到实物中去，让同学们真实体验到所学知识的价值，提升他们的认识。
（2）将虚拟实验平台与MOOC相结合。现阶段移动终端设备比较普遍，同学们可以结合MOOC更好地学习虚拟仿真技术，提高了教学的成效，实现理论与实践的深度结合。